爆炸冲击波信号处理方法比较.pdf

第2 7 卷第1 期 2 0 1 0 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．1 M a r ．2 0 1 0 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 1 ．0 2 5 爆炸冲击波信号处理方法比较 邱艳宇，卢红标，蔡立艮 解放军理工大学工程兵7 - 程学院，南京2 1 0 0 0 7 摘要空中爆炸冲击波的实测信号中，常有幅值很大的瞬时干扰信号，冲击波超压峰值的获取往往需要 采用后期信号处理的方法。针对模爆器产生的爆炸冲击波超压的特点，采用“经验拟合”和“数字滤波”2 种 不同的处理方法进行信号的消噪处理，通过对试验测试结果的比较研究，肯定了传统的经验公式拟合方法在 爆炸冲击波信号处理中的适用性。． 关键词爆炸；冲击波超压；模爆器；经验拟合；数字滤波 中图分类号0 3 8 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 1 0 0 9 2 0 4 C o m p a r a t i v eR e s e a r c hi nS i g n a lP r o c e s s i n go fB l a s t i n gS h o c kW a v e Q wY a n - y u 。L UH 帆g b i a o 。C A IL i - g e n E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ，P L AU n i vo fS c i T e c h ，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ea i rb l a s t i n gs h o c kw a v ee f f e c t sr e s e a r c h ．t r a n s i e n ts i g 触hw i t hl a r g ep e a kv a l u e sm a yb e0 fs o m e i n f l u e n c et ot h eb l a s t i n gs h o c kw a v em e a s u r e m e n t ，s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o di so f t e nu s e dt oa c q u i r et h et r u ev a l u eo f b l a s t i n gs h o c kw a v eo v e r p r e s s u r e ．B ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fs i g n a lg e n e r a t e db yt h en u c l e a rb l a s tl o a dg e n e r a t o r ， i t a d o p t st w od i f f e r e n tm e t h o d s ，t h ee m p i r i c a lf o r m u l af i t t i n ga n dd i g i t a lf i l t e r i n gf o re l i m i n a t i n gn o i s e s ．I tc o n f i r m s t h a tt h ee m p i r i c a lf o r m u l af i t t i n gi sa p p l i c a b l ef o rs i g n a lp r o c e s s i n go fe x p l o s i v es h o c kw a v e ． K e yw o r d s e x p l o s i o n ；s h o c kw a v eo v e r p r e s s u r e ；n u c l e a rb l a s tl o a dg e n e r a t o r ；e m p i r i e a lf o r m u l af i t t i n g ；d i g i t a l f i l t e r i n g 0 引言 空气冲击波的能量主要集中在正压区。就破坏 作用来说，正压区的影响比负压区大得多，一般可以 不考虑负压区的作用。因此，冲击波对目标的破坏 作用可以用3 个参数来度量1 波阵面压力即冲击 波的峰值超压聪；2 正压区作用时间T ；3 冲量 密度，．。这3 个参数表征了冲击波的破坏作用的 大小，是冲击波的主要特征量。因此，爆炸冲击波测 试的主要目的是从试验结果中正确识别上述3 个参 数。目前，常用的爆炸冲击波信号处理方法主要有 2 种一是采用经验公式对测试波形进行拟合；二是 收稿日期2 0 0 9 一0 9 - 3 0 作者简介邱艳宇 1 9 7 8 一 ，女，讲师、硕士，主要从事量测技术的研 究和应用。E - m a i l r a i n y _ m a y 1 2 6 ．e o m o 采用各种滤波的方法。但是由于炸药在爆炸、燃烧 过程中伴有较强的电磁场、强闪光、高温，给测量试 验参数的传感器、电缆、测量设备等造成不同程度的 干扰；使用不同的传感器和不同的安装方法，对冲击 波测量结果的影响也很大J ，以l 组空中爆炸冲击 波超压测试数据为基础，采用上述2 种信号处理方 法对爆炸冲击波参数的识别进行了对比研究，给出 了信号处理波形图。 1 试验数据测量 1 ．1 加载方法和测点布置 试验在核爆炸压力模拟器中进行，试验采用导 爆索平面装药方法，试验原理如图l 所示。导爆索 在模爆器的盖板和栅板之间爆炸时，在爆腔中将产 生竖直向下传播的平面波，该爆炸冲击波压力由布 万方数据 第2 7 卷第1 期邱艳宇，卢红标，蔡立艮爆炸冲击波信号处理方法比较 置在砂表面的压力传感器测量。 图1 试验原理图 1 ．2 量测系统 压力传感器选用国内某厂生产的应变式压力传 感器，该传感器的固有频率大于2 5k H z 。爆炸冲击 波超压作用在传感器上时，压力传感器输出相应的 电压信号，经动态电阻应变仪D H 3 8 4 2 将其放大，数 据采集记录仪D H 5 9 3 9 N 经同步起爆装置的触发信 号触发，对传感器的电压输入信号进行实时数据采 集，并将数据传输到计算机进行保存和分析处理，其 工作原理见图2 。 。 图2 量测系统示意图 采集到的典型爆炸冲击波压力时程曲线如图3 所示，其升压时间短，正压作用时间长，且正压作用 时程段的指数衰减规律明显，只是超压峰值淹没在 噪声当中无法直接判读，需要采用信号处理的方法 进行波形的识别。 0 ．10 ．20 ．30 ．40 ．5 0 ．6 0 ．7 2 ．1 经验拟合法 为了完整地描述“理想的”爆炸冲击波的压力一 时间历程的特性，应该把它的形式确定为时间的函 数。许多不同的作者推荐并使用了这样的函数形 式，它们都是根据对测量的或理论上预言的时间历 程作经验的拟合，重点是提出对正相的拟合。有了 这些形式的拟合，就可以用试验结果去匹配幅度髫 和初始衰减率或者幅度和正冲量，．。具体方法如 下‘2 1 1 卡取超压峰值的到达时间t o ，如图4 所示； 0 ．0 5 0 ．0 4 O ．0 3 L 窆0 ．0 2 屯 0 ．O l O ．0 0 0 ．O l t ．／- - i o p t ‘‘气㈣“i 。i 8 1 8 8 ‘8 0 ．1 00 ．1 2 0 ．1 4 0 ．1 6 0 ．1 8 0 ．2 0 0 ．2 20 ．2 4 0 ．2 6 0 ．2 80 ．3 0 t ／s 图4 经验拟合法求超压峰值 2 在图4 中通过到达时间％画垂直于时间轴的 直线； 3 在超压时程曲线上选取变化趋势较为明显 的一段，如图4 中截取的超压时程曲线段； 4 将截取的超压时程曲线段进行指数衰减拟 合，得到拟合曲线； 5 到达时间t 。直线和拟合曲线交点处的数值 即为该点的峰值超压聪。 采用经验拟合法需要注意2 个问题一是经验 公式的选择；二是截取超压时程曲线段的选择。对 于精度要求不高 误差1 0 ％ 的工程应用问题，采用 了形式较为简单的埃思里奇方程 p t P o e ；e 幛 其中p 为时间常数，且 t ． t ≤t ．4 - T 该方程将在多数的正相上精确地拟合许多仪器 的记录口1o 为比较超压时程曲线段的截取对经验拟方法合 结果的影响，截取了3 个曲线段进行了对比分析，截 取时程和经验拟合法得到的超压峰值详见表l 其 中截取区段以时间值表示 ，其波形图见图5 。可 见，截取的时问区段2 的拟合结果比较理想，其提取 的超压峰值为0 ．0 2 4M P a 。 2 ．2 滤波处理法 从图3 中可以看出，在整个超压时程上都存在 密集的尖峰状高频脉冲干扰。为了从这种带有密集 高频干扰的超压时程准确确定爆炸冲击波峰值超 压，首先需要对超压时程信号进行频域的分析，其频 谱分析如图6 所示。 万方数据 爆破2 0 1 0 年3 月 表l 截取时程区段和拟合结果 y o 0 ．0 1 17 20 ．0 0 18 l0 ．0 0 1 8 I A l 0 ．5 1 86 40 ．0 4 11 40 ．0 3 29 6 t ．0 ．0 4 08 l0 ．1 9 90 30 ．2 二汐3 2 P 。0 ．0 3 7 0 ．0 2 40 ．0 2 1 y z4 ．7 4 E - 67 ．2 8 E ．71 ．7 4 点巧 注∥为数据点和拟合函数相应点差的平方和。 0 ．0 0 08 0 ．0 0 0 6 飞 j 墨o ’0 0 0 4 飞 0 ．0 0 0 2 0 ．O O O O 0 ．1 0 O ．0 8 日O ．0 6 山 鼍o ．0 4 O ．0 2 O ．0 0 ．V 1 。； { ／抽“h M 啦 k．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．⋯3 。l ．I a s 图5 经验拟合曲线 W№M 以删山一“m 帖，，m M 帆枷‰⋯啪． 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 F r e q u e n c y ／H z 图6 超压时程的幅频曲线 从图6 可以看出，该爆炸冲击波信号包含的频 率信息非常丰富，主要能量集中在2k H z 以下频段。 0 ．1 0 O ．0 8 0 ．0 6 I 0 ．0 4 鱼 0 ．0 2 0 ．0 0 _ _ ■●址～～ 0 ．0 3 5 0 ．0 3 0 0 ．0 2 5 日0 ．0 2 0 山 0 ．0 i 5 钆0 ．0 1 0 0 ．0 0 5 0 ．0 0 0 一O ．0 0 5 7 分别对超压时程曲线进行2k H z 、5 0 0k H z 和2 0 0 k H z 低通滤波，得到的结果如图7 所示。 O ．0 6 0 ．0 4 山 窆O ．0 2 屯 0 ．O O 一0 ．0 2 t ／8 b 5 0 0 H z 低通滤波 帅州圳 flI“f。、nV-V、＼．．，．．。．．．．．．．．．．．、．，．．．．．． 0 ．10 ．20 ．30 ．40 ．50 ．6 0 ．7 t ／s c 2 0 0 H z 低通滤波 图7 滤波法处理结果 从图7 中可以看出，如果滤波器的上限截止频 率选择太高，则超压峰值仍然淹没在高频噪声中无 法判读；只有当上限截止频率选在较低频率时，如图 7 C ，从图中直接读出压力峰值约为0 ．0 3 2M P a ，但 此时的波形由于包含有1 0 0H z 的工频干扰而使得 峰值的判读已经出现了失真。 万方数据 第2 7 卷第1 期邱艳字，卢红标，蔡立艮爆炸冲击波信号处理方法比较 9 5 上接第6 9 页 K 3 ．3 7 [ 1 2 0 0 9 ．8 3 0 ／1 0 ∽／1 5 0 ] 1 ．6 6 0 ．2 7c m ／s 可见，在离爆破中心点1 5 01 1 “ 1 处，触地振动速度 估计值为0 ．2 7e m ／s ，因此是安全的，符合爆破安 全规程的相关要求。 5 ．3 飞石控制 5 ．3 ．1 爆破飞石控制 本次爆破周围环境虽然比较开阔、空旷，除待拆 的建、构筑物外，1 5 0m 范围内无其他需要保护的 构、建筑物及设备，但是空中有高压线和通讯光缆 等，且由于炮眼浅，炸药单耗大，要采取覆盖防护措 施控制飞石远抛。要求采取近体防护措施，即用2 层竹芭、2 层草袋覆盖爆破位置，并用铁线绑紧。考 虑到政府部门有关人员参加现场开工仪式及周围群 众多的情况，防护上还采取了在爆破缺口外2m 处 堆泥挡飞石的措施，堆泥高度2 ．5m 。 5 ．3 ．2 触地反弹飞石控制 烟囱倒塌触地时，地面较硬可能引起碎石碎土反 弹远抛，造成意外事故，特别是本次爆破烟囱倒塌位 置的地面碎石废渣较多，容易引起反弹飞石。因此必 须采取有效的措施加以控制。本次爆破设计在烟囱 倒塌方向上，离烟囱底部4 5 9 0m 、宽度为2 0n l 的范 围内设置软土堤带，堤高lm ，软土堤带表面用编织 袋装土堆积2 层，不能堆散土，以防散土飞溅远抛。 5 ．4 爆破警戒 爆破本身产生的飞石可采用防护材料加以防 护，飞石可控制在一定范围内。但钢筋混凝土烟囱 刚度大，高度高，倒塌触地可能产生飞石，因此除垫 土外，加强警戒范围，爆破警戒范围为以爆破中心为 半径的3 0 0n l 。如图1 所示。 6 爆破效果 起爆后，烟囱稍微振了一下，之后缓缓睡下。烟 囱按照预先设定的方向倒下，并准确的倒在防护垫 层上，爆破取得完满成功。倒塌后，烟囱前3 8n l 完 好，烟囱顶部至6 0m 完全压扁，露出直条条的钢筋。 从倒塌痕迹看，倒塌方向没有明显偏差，落在垫层中 央，因此没有造成触地飞石。倒塌范围长度基本与 烟囱高度相当，没有产生前冲现象。保留部分起到 支撑作用，但烟囱倒塌后基本被压跨。 7 体会 1 钢筋混凝土复合结构的高耸构筑物由于结 构的复杂性，爆破保证较大爆破炸药单耗是必要的， 较大的装药量可以弥补可能的爆破设计参数和施工 原因可能造成的偏差，保证爆破缺口的完全形成，使 烟囱顺利倒塌。 2 在设备和场地允许条件下，爆破缺口周围设 置土堆防护效果明显，尽管在较大装药下，爆破飞石 基本被挡在屏障内，最远的飞石不超过1 0m 。 3 由于烟囱内壁较厚，在内部钻眼时，爆破参 数不宜过大，以防由于弧度原因造成装药位置距离 过稀，而影响爆破效果。 4 设计时担心由于壁厚较大形成初始平衡位 置前移，造成拉力矩增大而影响烟囱倒塌。从爆破 倒塌过程看，烟囱倒塌顺利，没有出现拉力过大而影 响烟囱倒塌的情况。 参考文献 [ 1 ]田厚建，毛益松，刘炳琪．实用爆破技术[ M ] ．北京解 放军出版社，1 9 9 9 ． [ 2 ] 冯叔瑜．城市控制爆破 M ] ．北京中国铁道出版社， 1 9 9 6 ． [ 3 ] 刘殿中．工程爆破实用手册[ M ] ．北京北京冶金工业 出版社，1 9 9 9 ． 万方数据